劉桃鳳，劉開陽，王桂甲，黃曉茵，吳贊敏

（泉州紡織服裝職業(yè)學(xué)院，福建 泉州 362799）

信息技術(shù)的高速發(fā)展為我們的生活工作和學(xué)習(xí)提供多種便利，虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，簡稱VR)作為該領(lǐng)域的一項新技術(shù)[1]，得到了快速發(fā)展和應(yīng)用。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與職業(yè)教育相結(jié)合，特別是將其應(yīng)用到職業(yè)教育的實驗環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)實驗操作，有助于職業(yè)教育走出實驗教學(xué)的困境，為職業(yè)教育注入新的活力。

我國高度重視VR技術(shù)的教育及應(yīng)用，國務(wù)院明確提出建設(shè)一大批以校企合作為基礎(chǔ)，集人才培養(yǎng)、繼續(xù)教育、科研創(chuàng)新、科技服務(wù)于一體的專業(yè)集群[2-3]，我院獲批建設(shè)基于紡織染整服裝產(chǎn)業(yè)專業(yè)群的VR/AR實驗基地[4]。

為此，本研究對經(jīng)技術(shù)改造后的溢流機進(jìn)行純棉坯布染色的生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)研，以行動邏輯課程為發(fā)展導(dǎo)向，應(yīng)用VR技術(shù)，以“一看二聽三說四為”教學(xué)實驗基本路徑，構(gòu)建了一條適合高職院校專業(yè)課實驗教學(xué)實驗的路線。

1 VR技術(shù)用于染色課教學(xué)實驗的意義

2016年福建省明確要大力發(fā)展VR產(chǎn)業(yè)，我院根據(jù)染整企業(yè)的生產(chǎn)實況，將VR技術(shù)應(yīng)用到職業(yè)教育教學(xué)實驗環(huán)節(jié)，為學(xué)生在實驗過程中，創(chuàng)造逼真形象的模擬工廠生產(chǎn)情境。該情境創(chuàng)設(shè)讓學(xué)生體驗到虛擬的溢流機中織物上染料的擴散、吸附、固著，體驗到紡織品染色生產(chǎn)過程因工藝參數(shù)設(shè)計而得到不同產(chǎn)品的樂趣。構(gòu)建染色結(jié)合AR技術(shù)模型還可以為職工技能培訓(xùn)提供方便，同時也可以為特殊人群接觸色彩、學(xué)習(xí)染色知識打開大門，虛擬染色平臺的構(gòu)建也為孩子提供一片彩色空間。大量實際案例證明，虛擬現(xiàn)實可以給體驗者帶來身臨其境的感覺，使人能體驗到放松、愉悅的積極情緒，從而使體驗者能充分發(fā)揮自主學(xué)習(xí)能力?？偠灾?，虛擬染色平臺的構(gòu)建，已經(jīng)走出了職業(yè)教育實踐教學(xué)的新模式，突破了傳統(tǒng)的職業(yè)教育思想觀念，發(fā)展了職業(yè)教育的教學(xué)方法，為職業(yè)教育教學(xué)實驗注入新的活力[3]。

虛擬染色系統(tǒng)（簡稱“系統(tǒng)”）的設(shè)計以技術(shù)全面化、應(yīng)用教學(xué)化、工作過程系統(tǒng)化、項目典型化四個方面為主要指導(dǎo)思想[5]，系統(tǒng)引進(jìn)VR龍頭企業(yè)工業(yè)化級產(chǎn)品體系并融合企業(yè)溢流機染色過程，結(jié)合當(dāng)前紡織染整產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)按照VR教學(xué)實驗體系的要求，模擬溢流機染色生產(chǎn)的場景，結(jié)合設(shè)施設(shè)備部件、紡織品多形態(tài)以及 VR技術(shù)的體驗實現(xiàn)教學(xué)實驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建。系統(tǒng)讓使用者的感知體驗與動手的結(jié)合、染色工藝與實際生產(chǎn)的結(jié)合，在學(xué)生進(jìn)行染色體驗方面，既有感官上的沉浸式體驗，也有心理上讓人參與其中的超現(xiàn)實體驗[6-7]。

通過該平臺的建設(shè)，鞏固了學(xué)生理論知識體系，同時提高學(xué)生的動手能力，積累實踐經(jīng)驗，從而達(dá)到學(xué)生實驗水平提升的目的。平臺的建設(shè)有效緩解了當(dāng)前專業(yè)課教學(xué)實驗與實際生產(chǎn)不匹配而產(chǎn)生較大差距的現(xiàn)實困境，達(dá)成培養(yǎng)具有動手能力、實踐能力和技術(shù)技能型人才的職業(yè)教育目標(biāo)。

2 平臺開發(fā)設(shè)想

2.1 構(gòu)建系統(tǒng)模型的前期設(shè)想

染色VR教學(xué)實驗系統(tǒng)將實際染色工作過程與VR技術(shù)結(jié)合進(jìn)行系統(tǒng)化開發(fā)，根據(jù)實際染色工作過程每道工序的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計學(xué)習(xí)場，明確各環(huán)節(jié)參照系、典型工作過程和普適性工作過程進(jìn)行設(shè)計。利用3ds Max軟件、Inventor軟件和Virtools軟件進(jìn)行構(gòu)建開發(fā)虛擬染色實驗平臺。

2.2 虛擬染色系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)想

2.2.1 系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計包含虛擬工廠、虛擬設(shè)施設(shè)備、虛擬任務(wù)與材料、虛擬人物、學(xué)習(xí)模塊5個部分，其中每個部分下又分別設(shè)置了幾個子模塊，子模塊各自有具體功能，各子模塊之間互相配合操作使用。

虛擬工廠模塊，通過設(shè)計與實際工廠生產(chǎn)環(huán)境的相似的虛擬場景（主要分為外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境2部分），以企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境為主要外部環(huán)境，染色車間為次要外部環(huán)境，以溢流機機體、染缸和工作臺為內(nèi)部環(huán)境，構(gòu)建的虛擬場景。虛擬場景的構(gòu)建可以增強系統(tǒng)的沉浸性，使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生身臨其境的感覺。

虛擬設(shè)施設(shè)備模塊，主要從不同的角度、全方位展示染色機、染缸和工作臺以及各個輸送管道的輸送情況的結(jié)構(gòu)。

虛擬任務(wù)與材料模塊，以純棉坯布為例、布面運行為視角，根據(jù)工藝參數(shù)的要求加入水、染化料、助劑等原料，并設(shè)置溫度、壓力、浴比等工藝參數(shù)，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，完成工作任務(wù)。后期也可將其中涉及的水、汽等能源列入成本核算范疇，作為參數(shù)進(jìn)行考察和評價。

虛擬人物模塊，以給虛擬人設(shè)置交互腳本的形式，實現(xiàn)對虛擬場景的漫游體驗。通過選擇可體驗不同類型產(chǎn)品的染色過程，以達(dá)到體驗設(shè)施設(shè)備實際操作、控制的目標(biāo)。同時，通過場景切換，可完成場景中的其他系列，如對漂白、脫色、固色等相關(guān)工序過程的體驗。

學(xué)習(xí)模塊包括染色理論知識素材、設(shè)施及設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)展示以及生產(chǎn)操作視頻、自主設(shè)計練習(xí)4大集合，在學(xué)習(xí)模塊中可自主選擇學(xué)習(xí)專業(yè)理論知識，觀看染色、漂白、脫色、固色等過程原理演示視頻，在自我肯定之后進(jìn)行自主設(shè)計工藝練習(xí)并通過VR技術(shù)做出虛擬成品。也可以了解設(shè)施設(shè)備、坯布的三維結(jié)構(gòu)，掌握染色原理，以加深其對專業(yè)理論知識的理解。

該虛擬染色實驗平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示，

2.2.2 系統(tǒng)開發(fā)流程設(shè)想

構(gòu)建染色虛擬教學(xué)實驗系統(tǒng)，按照一般開發(fā)設(shè)計流程，我們需要分別做好以下幾個方面的工作。

⑴ 前期素材準(zhǔn)備工作

在企業(yè)中，使用3D掃描和Iventor構(gòu)建三維實體模型，包括構(gòu)建虛擬工廠、設(shè)施設(shè)備、材料、學(xué)習(xí)視頻等素材；用VR編輯器對虛擬場景、事件編輯、多媒體資源整合、VR外設(shè)頭盔和手柄等硬件應(yīng)用、VR 全景拍攝和編輯；使用photoshop創(chuàng)建貼圖素材，并在3ds Max中對模型及場景進(jìn)行渲染、數(shù)字影像及虛擬場景合成、對資源進(jìn)行優(yōu)化處理，和其他需要準(zhǔn)備的素材。

⑵ 實驗功能實現(xiàn)工作

將系統(tǒng)模型導(dǎo)入到Virtools中，利用Virtools中交互引擎提供的VSL語言編程，對系統(tǒng)需要的相關(guān)詳細(xì)功能進(jìn)行設(shè)計和編輯后，即可以著手使用Virtools進(jìn)行虛擬現(xiàn)實的交互腳本設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)的交互功能。通過引入合作公司的VR關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行工藝、參數(shù)、選項等功能的設(shè)定，構(gòu)建其他三維加工設(shè)備模型和其他場景模型，并且在虛擬染色實驗系統(tǒng)中實現(xiàn)虛擬人物在漫游時需要進(jìn)行選擇染色控件及相關(guān)多機型、各類型工藝、不用原料的選擇操作等，最后完成目標(biāo)的過程。

⑶ 對系統(tǒng)的評價和優(yōu)化工作

在系統(tǒng)構(gòu)建完成時，由學(xué)生和教師以及非專業(yè)人士進(jìn)行系統(tǒng)操作，并對系統(tǒng)的實驗內(nèi)容、結(jié)構(gòu)框架、可操作性等進(jìn)行綜合評價，按提出建議和意見再次對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)相對成熟后將該實驗系統(tǒng)輸出發(fā)布，投入實際教學(xué)。

2.3 系統(tǒng)評價

創(chuàng)設(shè)的虛擬染色實驗系統(tǒng)基本達(dá)到教學(xué)實驗的教學(xué)要求，該系統(tǒng)為染整專業(yè)中染色課程操作技能實驗教學(xué)提供了新的教學(xué)模式。

圖1 紡織品虛擬染色實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)設(shè)計上也兼顧了在專業(yè)理論教學(xué)過程的一些不足，以學(xué)生為主導(dǎo)，使學(xué)生通過項目導(dǎo)入的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，系統(tǒng)中植入大量豐富的學(xué)習(xí)資料，體驗者可以通過點選模式切換子模塊的功能操作進(jìn)行選擇、查找素材進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。同時，系統(tǒng)中設(shè)計了基本工藝流程及參數(shù)限值，并嵌入部門實際生產(chǎn)中成熟的產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)練，為學(xué)生的學(xué)習(xí)知識的延伸及思維的拓展提供了實踐基礎(chǔ)。

系統(tǒng)具有較強的交互功能，角色切換給學(xué)生帶來全新的體驗，用戶界面操作相對簡單，系統(tǒng)的界面直觀、簡潔、務(wù)實，方便讓體驗者了解整個染色生產(chǎn)過程及其工作環(huán)境。

3 結(jié)語

本文構(gòu)建了一個基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的紡織品染色的課程的三維教學(xué)實驗系統(tǒng)，為學(xué)生學(xué)習(xí)染色專業(yè)知識、體驗紡織品染色過程、強化專業(yè)技能水平提供了新的平臺。該系統(tǒng)在運行上對操作軟硬件環(huán)境基本沒有特殊要求，除了本系統(tǒng)研發(fā)構(gòu)建需要的資金外，無附加支出。在實際操作過程中，只需要使用鼠標(biāo)、鍵盤、頭盔、手柄等即可完成紡織品染色的實驗操作過程，根據(jù)不同的工藝及參數(shù)選擇得到相應(yīng)的實驗結(jié)果。在實驗教學(xué)應(yīng)用中，該系統(tǒng)可以作為學(xué)生實際技能訓(xùn)練的實驗平臺，改善了實驗教學(xué)環(huán)境，提高了實驗安全性。同時學(xué)生課余也可使用該系統(tǒng)進(jìn)行知識學(xué)習(xí)和技能操作練習(xí)，為學(xué)生畢業(yè)實習(xí)和工作提供預(yù)練場所。